天理工液压传动讲义第3章 液压泵与液压马达

PAGEPAGE10第三章液压泵§3－1概述液压泵是动力元件：将驱动电机的机械能转换成液体的压力能，供液压系统使用，它是液压系统的能源。一、基本工作原理缸体的内孔和柱塞形成一个密封工作容积V，柱塞在弹簧的作用下，紧贴在偏心轮的外圆表面上。当偏心轮旋转时，柱塞在缸体内往复运动。吸油：密封容积增大，形成局部真空；压油：密封容积减小，压力增加。偏心轮连续旋转，柱塞周期性地往复移动，泵不断地吸油和压油。由于这种泵是依靠密封容积的变化来吸油、压油的，所以称为容积式泵，它具有两个特征：1．有周期性的密封容积变化。密封容积由小变大时吸油；由大变小时压油。2．有配油机构。保证密封容积由小变大时，只与吸油管相通；密封容积由大变小时，只与压油管相通（如两个单向阀）。二、类型1．按结构可分为：齿轮泵（外啮合、内啮合）、叶片泵（单作用、双作用）、柱塞泵（径向、轴向）、螺杆泵等。2．按排量是否可调分为：定量泵：泵的排量不可改变。变量泵：泵的排量可以改变。变量泵又分为：单向（只调节排量大小）和双向（可调节排量大小及方向）。变量方式分为手动和自动两种。自动方式有限压式、恒功率式、恒压式及稳流量式。职能符号:三、性能参数1．压力工作压力：液压泵工作时实际输出压力，取决于外负载的大小。额定压力：在正常工作条件下，按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值即为过载，它取决于泵的结构强度和密封条件。2．排量、流量排量q：在无泄漏的情况下，泵轴每转一转排出的液体体积，它取决于泵的几何尺寸，又称几何排量，单位是m3/r。理论流量Qt：在无泄漏的情况下，单位时间内输出液体的体积，它取决于几何排量，也称几何流量，单位是m3/min。Qt=qn实际流量Q：泵在单位时间内实际输出液体的体积。由于存在内、外泄漏ΔQ，所以Q小于Qt，即Qt＝Q＋ΔQ容积效率ηv：泵实际流量和理论流量之比，即ηv＝Q/Qt。容积效率是描述泵性能好坏的重要指标。在一定范围内，泵的泄漏随泵的工作压力增高而线性增大，所以容积效率随泵工作压力的增高而降低。额定流量：泵在额定压力、额定转速下必须保证的实际流量。3．功率和效率输入功率Pi：为电机输出的功率，即：Pi＝Mω理论功率Pt：不考虑泄漏和摩擦损失时，机械能全部转变为液压能，即：Mtω＝pQt由于泵体内有液压和机械摩擦损失ΔM，所以泵的实际输入转矩M应大于理论转矩Mt，即M＝Mt＋ΔM。机械效率：泵的理论转矩与实际转矩之比，即ηm＝Mt/M。输出功率Po：泵实际输出的液压功率，即Po＝pQ总效率η：泵输出功率于输入功率之比，即η＝pQ/Mω=ηmηv§3－2齿轮泵齿轮泵是液压传动系统中常用的液压泵，在结构上可分为外啮合式和内啮合式两种。一、外啮合齿轮泵的工作原理及典型结构1．工作原理泵体内有一对外啮合齿轮，齿轮两侧靠端盖封闭。体、端盖和齿轮的各个齿间槽组成了若干个密封工作容积。当齿轮按图示方向旋转时，啮合线把密封容积隔成两部分。啮合点下侧的轮齿脱开啮合，密封容积由小变大，形成部分真空，油箱里的油液在大气压力的作用下，通过吸油口被吸入，将齿间槽充满，随着齿轮的旋转，吸入的油液被齿间槽带入啮合点上侧的压油腔。在压油腔，轮齿进入啮合，密封容积由大变小，油液受到挤压，从压油口压到系统中。齿轮啮合线将吸油区和压油区隔开，起配流作用。2．典型结构由前、后端盖，泵体，互相啮合的齿轮，转动轴等组成。二、外啮合齿轮泵的结构特点1．困油现象齿轮泵为了运转平稳，连续均匀供油，齿轮的重叠系数必须大于1。于是总有一段时间有两对轮齿同时啮合，在两对轮齿的啮合点之间形成一个闭死的容积。闭死容积随着齿轮的旋转先由大变小，以后又逐渐加大。由于这个容积既不与压油腔相通，也不与吸油腔相通，所以在闭死容积由大到小时，油液受到挤压，并从缝隙中挤出而产生很高的压力，油液发热；而容积由小变大时，又会造成局部真空，产生空穴。这些都将使泵产生强烈的振动和噪声，这种现象称为困油现象。消除困油的方法：通常是在齿轮泵两侧端盖上各铣两个卸荷槽，使闭死容积减小时，通过左边的卸荷槽与压油腔相通；闭死容积增大时，通过右边的卸荷槽与吸油腔相通。2．径向不平衡力齿轮泵一侧吸油，另一侧压油。压油腔的油液经径向间隙逐渐渗漏到吸油腔，压力逐渐减小，所以作用在齿轮外圆上的压力是逐级降低的。这些液体压力综合作用的合力，相当于给齿轮一个径向的作用力，使齿轮和轴承上都受到一个径向不平衡力。工作压力越高，径向不平衡力越大，这将加速轴承的磨损，降低轴承的寿命。减小径向不平衡力的方法：缩小压油口直径，使高压油仅作用在一到两个齿的范围内，这样压力油作用于齿轮上的面积减小了，径向不平衡力也相应减小。3．泄漏齿轮泵存在三条泄漏途径：1）径向泄漏：齿轮外圆与泵体配合处间隙的泄漏，占15～20％；2）啮合线泄漏：齿轮啮合处的间隙泄漏，占5％；3）轴向泄漏：齿轮两侧面和侧盖板间的轴向间隙泄漏，占75～80％。轴向泄漏是影响齿轮泵容积效率的主要因素。通常高压齿轮泵采用轴向间隙自动补偿装置，以减小轴向泄漏，提高容积效率。轴向间隙自动补偿的方法是采用浮动轴套或弹性侧板。三、优缺点优点：结构简单，尺寸小，重量轻，制造方便，自吸能力强，对油液污染不敏感，工作可靠，价格低，维护容易。缺点：流量脉动大，泄漏大，径向不平衡力限制工作压力的提高。四、内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵有渐开线和摆线齿轮泵两种。工作原理和主要特点与外啮合齿轮泵相同。（内齿轮泵动画图）图示为内啮合渐开线齿轮泵，大小齿轮间有一月牙形的隔板，将泵的吸油腔和压油腔隔开。§3－3叶片泵按照工作原理叶片泵可分为双作用和单作用。一、双作用叶片泵1．工作原理及典型结构定子内表面为腰形，中心固定不动，转子外表面为圆柱形，其上均匀开有狭槽，中心固定不动，但可以转动，与定子中心重合，矩形叶片安放在狭槽内，在离心力的作用下向外伸出，配油盘上的吸、压油窗口分别与泵体上的吸、压油口相通。定子内表面，转子外表面，相邻叶片和前后配油盘组成若干个密封容积。当转子顺时针方向旋转时，密封容积在左上角和右下角逐渐增大，为吸油区；在左下角和右上角逐渐减小，为压油区，吸油区和压油区之间有一段封油区把它们隔开。（双叶片泵动画图）转子每转一转，泵吸、压各两次，故称双作用。由于吸、压油区径向对置，作用在转子上的液压径向力平衡，所以又称为平衡式。2．结构特点定子内表面曲线形状及要求定子内表面曲线由两段大圆弧、两段小圆弧和四段过渡曲线组成。过渡曲线应保证：叶片始终紧贴在定子内表面上；叶片在槽内径向运动时，速度和加速度变化均匀；叶片经过圆弧与过渡曲线的连接部分时，不产生刚性冲击。常用的过渡曲线有：阿基米德螺线：有刚性冲击。等加速等减速：有柔性冲击，较常用。叶片倾角由受力分析可知，叶片在转子中沿旋转方向前倾（13º），有利于叶片向外伸出。配油盘上的三角槽相邻叶片从吸油窗口吸满油，进入高压区时，由于压力突变并引起流量脉动，为此在开始进入压油区一侧开一个三角槽，避免压力冲击，减小流量脉动。叶片数实验表明，采用偶数叶片比采用奇数叶片流量脉动小，且叶片数为4的整数倍时，流量脉动最小。3．提高压力的途径为了保证叶片紧贴定子内表面，叶片底部都通压油腔。当叶片处在吸油腔时，叶片以很大的力压向定子内表面，加速定子内表面磨损，限制了压力的提高。采取下述方法可以提高压力：减小作用在叶片底部的油液压力。可在压油腔内装减压阀。减小叶片底部承受压力油作用的宽度。可采用阶梯叶片或子母叶片。4．优缺点输出流量均匀，噪声小，容积效率较高，但结构复杂，对油液污染敏感。二、单作用叶片泵1．工作原理定子、转子均采用圆形表面，中心偏心放置。相邻叶片、定子内表面、转子外表面、前、后配油盘组成若干个密封容积。转子转动时，叶片在离心力和叶片底部压力油的作用下，紧贴定子内表面。转子逆时针旋转时，右侧密封容积逐渐增大，产生真空，通过配油盘上的吸油窗口吸油；左侧密封容积逐渐减小，通过压油窗口压油。（单叶片泵动画图）转子每转一转，吸、压油各一次，故称单作用。由于转子上受有单方向的液压不平衡作用力，所以又称非平衡式叶片泵。改变定子与转子间偏心距的大小，可以改变泵的排量，故可做成变量泵。变量方式可分为人工调节和自动调节。自动调节又分为限压式和稳流量式。2．限压式变量叶片泵1）结构及工作原理转子中心固定不动，定子可以左右移动；在限压弹簧的作用下，定子被推向右端，出现偏心距е；压力油的合力把定子向上压在滑块滚针支承上；定子右边有一反馈柱塞，它的油腔与泵的压油腔相通。设反馈柱塞受压面积为A，作用在定子上的反馈力为pA，左侧弹簧预紧力为Fs，Fs＝Ksx0。当pA<Fs时，е＝еmax，Q＝Qmax；当pA＝Fs时，p=pc，称为限定压力；当pA>Fs时，定子开始左移，偏心距е减小，输出流量减小，当流量降为零时，不管外载再怎样加大，泵的输出压力不会再升高。（变叶片泵动画图）2）p-Q特性根据定子的受力平衡，可求出泵在不同压力下的流量，画出相应的曲线。调节右端流量调节螺钉，可改变еmax从而改变流量的大小，此时AB段上下平移；调节Fs的大小，可改变pc和pmax的值，此时BC段左右平移；更换弹簧刚度Ks，可改变BC段的斜率，弹簧越软（Ks值越小），BC段越陡，pmax值越小。限压式变量叶片泵适用于有快速运动和工作进给要求的场合。3）结构及特点通过受力分析可知，单作用叶片泵叶片沿旋转方向后倾（24°），有利于叶片伸出，采用奇数叶片可减小流量脉动。3．优缺点功率使用较为合理，可减小油液发热。轴上受有不平衡的径向液压力，噪声较大，容积效率没有双作用叶片泵高。§3－4柱塞泵柱塞泵是依靠柱塞在其缸体内往复运动时，密封容积的变化来实现吸油和压油的。由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，容易得到高精度的配合，所以这类泵的特点是泄漏小，容积效率高，可以在高压下工作。一、径向柱塞泵1．工作原理径向柱塞泵由定子，转子（缸体），配油轴，衬套和柱塞等主要零件组成。衬套紧配在转子孔内，随转子一起旋转，而配油轴固定不动。转子旋转时，柱塞随之旋转，并靠离心力甩出，紧压在定子内表面上。柱塞内端面和转子径向孔组成若干个密封工作容积。转子与定子间存在偏心距e，当转子顺时针旋转时，处于上半圈的柱塞向外伸出，密封容积逐渐增大，产生局部真空，油箱中的油液经配油轴的上腔进入，完成吸油；而处于下半圈的柱塞向里推入，密封容积逐渐减小，将油液从配油轴的下腔压出，完成压油。（径柱塞泵图）转子每转一转，柱塞在每个径向孔内吸油、压油各一次，移动定子可改变偏心距e，可以改变泵的排量。2．特点径向柱塞泵径向尺寸大，结构较复杂，自吸能力差，配油轴受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损，限制了转速和压力的提高。二、轴向柱塞泵1．工作原理轴向柱塞泵由斜盘、柱塞、缸体、配油盘等主要零件组成，斜盘和配油盘固定不动，传动轴带动缸体、柱塞一起转动。柱塞底部装有弹簧，以保证柱塞始终紧贴在斜盘的端面上。柱塞端面、缸体内孔、配油盘组成若干个密封容积。传动轴按图示方向旋转时，柱塞在其自下而上回转的半周内，逐渐向外伸出，密封容积不断增大，产生局部真空，油液经配油盘上的吸油窗口吸入；柱塞在其自上而下回转的半周内，又逐渐向里推入，密封容积不断减小，将油液从配油盘上的压油窗口向外压出。（轴柱塞泵三维动画图）缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油、压油。改变斜盘角度，可以改变柱塞往复行程的长度，因此，可以改变泵的排量。2．典型结构轴向柱塞泵可分为主体部分和变量部分。1）主体部分：由泵体、斜盘、回程盘、柱塞、缸体、配油盘、传动轴、中心弹簧、内套、外套等零件组成。中心弹簧通过内套及钢球，使套在柱塞头部滑靴上的回程盘紧贴在斜盘表面上，使泵具有自吸能力；同时，中心弹簧通过外套作用在缸体上，使缸体紧贴配油盘表面，以减小缸体与配油盘之间的端面泄漏。2）变量部分：可采用手动变量和自动变量。自动变量中又有限压式，恒功率式，恒压式和恒流量式等。变量机构通过改变斜盘与缸体轴线间的夹角γ，使流量改变。改变夹角γ大小：只改变流量大小，可做成单向变量泵。方向：既改变流量单向又改变方向，可做成双向变量泵。变量泵的职能符号如图所示。§3－6液压泵的选用一、液压泵的选用液压泵的选用应包括额定压力、流量和结构类型的确定等。液压泵的额定压力和流量经计算后，按系统的实际需要选取。这里主要讨论泵类型的选择。负载小，功率小的机械设备，可采用齿轮泵、叶片泵；精度较高的机械设备（如磨床），可采用螺杆泵、双作用叶片泵；负载较大并有快速和慢速工作行程的机械设备（如组合机床），可使用限压式变量叶片泵；负载大，功率